濕式電除塵器脫除細微顆粒物的關鍵技術研究

張海珍 李欣璇 阮炯明

摘? 要：濕式電除塵器能夠高效的脫除細微顆粒物，因此作為除塵的終端把關技術逐漸在大型燃煤機組上得到推廣應用。目前對濕式電除塵器的研究主要集中在除塵器對細微顆粒物脫除效果的測試上，對濕式除塵器高效脫除細微顆粒物機理的研究相對較少。文章采用理論研究的方法，對影響濕式電除塵器性能的顆粒物粒徑、顆粒表面屬性、相對濕度、清灰方式等關鍵因素進行分析，探索研究濕式電除塵器高效脫除細微顆粒物的機理，并提出提高濕式電除塵器除塵效果的方法。

關鍵詞：濕式電除塵器;細微顆粒物;粒徑;表面屬性;相對濕度;清灰方式;關鍵參數

中圖分類號：X701.2文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）30-0159-02

Abstract： Wet Electrostatic Precipitator （WESP） can remove fine particles， and gradually used in large coal-fired units as the terminal dust control technology. At present， the study on WESP is mainly focused on the removal of fine particles， and the mechanism of the removal of fine particles is relatively few. Through theoretical methods， this paper analyzes the key factors， such as grain， surface properties， relative humidity， cleaning mechanisms， which may affect the performance of WESP， and studies the mechanism of high efficiency removal of fine particles.

Keywords： wet electrostatic precipitator; fine particles; grain; surface properties; relative humidity; cleaning mechanisms; key parameters

1 概述

隨著國家環保排放標準的日益嚴格，燃煤火電廠的污染物排放壓力劇增，燃煤電廠現有的干式靜電除塵器對燃煤煙氣中粗顆粒的收集效率可高達99.9%乃至更高，但其對以亞微米為主要份額的細顆粒物PM2.5的捕集效率卻僅有95%～99%[1]，原因是飛灰粒徑對驅進速度有較大影響，當顆粒大于1μm時，粉塵驅進速度與粒徑為正相關，當粒徑為0.1～1μm時，粉塵的驅近速度最小，當粒徑小于0.1μm時，粉塵的驅近速度與粒徑為負相關[2]，因此電除塵器對此粒徑范圍內細顆粒的捕獲率較低，很難單獨依靠干式電除塵器將煙塵排放控制在5mg/m3以內，需要新的煙塵控制技術來降低燃煤電廠煙塵排放，這在很大程度上促進了污染物控制新技術和新工藝的推廣使用。

濕式電除塵器就是在這樣的大背景下開始被應用到大型燃煤火電機組上。本文依托某電廠項目，對濕式電除塵器的除塵關鍵技術進行理論分析研究。

2 濕式電除塵器關鍵參數影響分析

與干式電除塵器相比，濕式電除塵器有以下特點：（1）粉塵粒子屬性不同，濕式除塵器安裝在濕式脫硫裝置之后，煙氣經濕式脫硫噴淋塔，除霧器后進入濕式電除塵器，因此進入濕式電除塵器的含細微顆粒的煙氣是飽和的（溫度一般為50-60℃），細微顆粒被液體（主成分是水）包住，形成了以細微顆粒為核的氣溶膠，換句話說，外面液體的電特性取代了原來細微顆粒本身的性質，同時氣溶膠的粒徑也增加了很多;（2）清灰方式不同，濕式電除塵器為了集塵板清潔和防止高腐蝕性的氣溶膠直接沖擊到極板上，工作時有一定量的清潔水沖刷集塵板形成水膜，當氣溶膠粒子向集塵板撞擊時會迅速放電并隨流動的水膜除掉，不會像干式電除塵器那樣會受灰塵顆粒比電阻的影響，高比電阻灰會在集塵板上產生積灰，產生反電暈，低比電阻灰會產生二次揚塵。

以下從顆粒物荷電機理、顆粒物粒徑和表面屬性、相對濕度、清灰方式等方面來分析濕式電除塵器高效脫除細微顆粒物的機理。

2.1 顆粒物荷電機理

電除塵器中的粉塵顆粒需要荷電后才能在外電場力的作用下遷移至集塵極并被收集，粉塵顆粒的荷電機理主要有場荷電和擴散荷電兩種。

（1）場荷電

場荷電主要是離子在電場力的作用下向電壓梯度大的方向運動，沿電場線方向與氣體中的粉塵顆粒碰撞，使粉塵荷電，粉塵荷電后逐漸對向其運動的離子產生排斥力，最終離子的遷移速度不足以使其運動至顆粒表面，從而顆粒荷電達到飽和，此時顆粒的荷電量表示：

其中：式中？著是粒子的相對介電常數，Ec是電場強度，e和Ke（9.0×109N·m/C2）是常數，dp是粒子直徑（m）。

（2）擴散荷電

擴散荷電是離子無規則熱運動碰撞粉塵顆粒荷電，與離子和粉塵顆粒的熱運動強度、碰撞概率、粒徑大小有關，荷電過程由下式控制：

（2）

其中是離子無規則熱運動速度（m/s），Ni為離子濃度（個/m3），T是溫度，k是玻爾茲曼常數（1.38×10-23J/K），t是顆粒在電除塵器中的停留時間（s）。

場荷電一般主導大顆粒的荷電，擴散荷電一般主導小顆粒的荷電，粒徑在1μm左右的顆粒一般處于兩種機制的混合區[3]。

2.2 濕式電除塵器入口粉塵粒徑特性

濕式電除塵器一般布置在濕法脫硫系統（WFGD）之后，對濕式電除塵入口粉塵的測試主要是在濕法脫硫出口和濕式電除塵器入口。

本文作者依托某電廠330MW機組，采用芬蘭Dekati公司生產的撞擊式分級采樣器對濕式電除塵器入口粉塵粒徑進行了測試，測試結果如表1所示。

表1 不同粒徑顆粒百分比

現場測試結果顯示，濕式電除塵器入口粉塵顆粒粒徑主要集中在小于PM2.5的范圍，比例占到90%左右。

從2.1節顆粒物荷電機理可知，粒子的荷電量多少強烈地依隨粒子粒徑的大小。濕法脫硫入口的粉塵顆粒大多是從干式電除塵器逃逸的細微顆粒物和由于二次揚塵逃逸的較大顆粒物，粒徑在1～3μm左右，經過濕法脫硫之后，較大的顆粒被WFGD系統捕集，WFGD出口較多的是包含水膜的細微顆粒物，細微顆粒（如PM2.5以下的微細顆粒）由水溶液膜包圍粒徑明顯增加，可使得小于1μm的細微顆粒轉變成大于細微顆粒領域，荷電機理可以從擴散荷電機理（q（t）-f（dp））變成以場荷電機理（q（t）-f（dp2））荷電，荷電量明顯增加。

2.3 濕式電除塵器入口粉塵表面屬性

火電廠粉塵顆粒的主要成分為未燃盡碳、Al2O3、SiO2、Fe3O4等，干式電除塵中，煙氣溫度在120℃左右，為干燥狀態，粉塵的荷電量主要受粉塵本身相對介電常數的影響。濕式電除塵設置在濕法脫硫系統之后，煙氣經過濕法脫硫系統洗滌之后，煙氣濕度很大，達到或接近飽和狀態，粉塵表面被水膜覆蓋，表面屬性發生變化，此時，水溶液的性質取代了原來飛灰的表面特性，粉塵的荷電量大小受外表面水膜的相對介電常數的影響，而不受粉塵本身的相對介電常數的影響。典型的濕式電除塵器入口煙氣溫度在50℃左右，此溫度下水的相對介電常數近70，而飛灰主成分Al2O3、SiO2的相對介電常數分別是2.5、3.5。根據式（1）可知，單獨考慮由于相對介電常數變化因素，則粉塵顆粒的荷電量增加約1.64倍。

2.4 濕式電除塵器入口相對濕度

濕式電除塵器入口煙氣相對濕度對其性能有重要影響，相關研究表明，濕度對負離子遷移率和負電暈放電特性都有重要影響。

濕式電除塵器中為了保證集塵極板的清潔，通常采用頂部噴淋的方式向電除塵空間中噴水，噴水對煙氣相對濕度的影響較小，但是會對粉塵顆粒向集塵級遷移帶來不利的影響。

本文作者對兩臺330MW機組金屬極板式濕式電除塵器調研發現，實際噴淋水耗量達到60t/h，廢水排放量高達10-20t/h。

3 結論

本文采用理論分析和現場試驗的方法，分析了影響濕式電除塵器除塵效果的關鍵因素，得到如下結論：

（1）濕式電除塵器入口的粉塵顆粒粒徑發生變化，在經過濕法脫硫之后，粉塵表面覆蓋一層水膜，使得顆粒粒徑變大，從擴散荷電轉變為場荷電，荷電量增加。

（2）濕式電除塵器入口的粉塵顆粒表面屬性發生變化，從原先的飛灰轉變為水膜，相對介電常數增加，總荷電量增加。

（3）濕式電除塵器內煙氣相對濕度較大，會對帶電離子的遷移率和起暈電壓帶來影響，相對濕度增加，負離子遷移率降低，起暈電壓降低。電暈電流受負離子遷移率和電暈電壓的綜合影響，對于目前應用的常規電除塵器，電暈電流隨相對濕度的增大而逐漸減小。

（4）濕式電除塵器集塵級采用水膜沖洗清灰，沒有二次揚塵問題。

綜合四方面的影響，顆粒粒徑增大并且表面屬性發生變化，粉塵顆粒的荷電量增加，收到的電場力增加，能夠更有效的被集塵級收集，另外，采用水膜沖洗，無二次揚塵，綜合四方面的影響，使得濕式電除塵器對細微顆粒物有較好的脫除效果。

參考文獻：

[1]靳星.靜電除塵器內細顆粒物脫除特性的技術基礎研究[D].北京：清華大學，2013.

[2]中國環境保護產業協會電除塵委員會.電除塵器選型設計指導書[M].北京：中國電力出版社，2013：8-9.

[3]White HJ. Particle charging in electrostatic precipitation[J]. Transactions of the America Institute of Electrical Engineers. 1951， 70（2）：1186-1191.